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VXLAN：云盘算时代的隧道手艺（二）

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VXLAN：云盘算时代的隧道手艺（二）

先容VXLAN手艺的爆发配景，怎样解决数据中心面临的诸多问题，以及VXLAN的基础看法先容。

#VXLAN

宣布时间：2022-08-05
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1 VXLAN：云盘算时代的隧道手艺（二）
如图1-1所示，这是一个典范的VXLAN组网架构图，其接纳Border/Spine/Leaf三层架构设计。Border Leaf作为VXLAN出口网关，Spine作为南北向流量，Leaf作为VXLAN漫衍式网关。VXLAN安排在Leaf与Leaf之间Border Leaf与Leaf之间。VXLAN在网络中是怎样举行事情的，下文中我们会详细先容。VXLAN的看法先容请拜见：/jszl/88850/。
图1-1 常见的数据中心VXLAN网络架构图
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1.1 VXLAN事情历程
VXLAN的运行主要包括如下几个部分：
(1)   在装备上建设VXLAN实例。
(2)   VTEP之间建设隧道，并将隧道和VXLAN实例关联。
(3)   学习MAC地址，作为转发的依据。
(4)   VTEP判断吸收的MAC帧的VXLAN归属，封装为VXLAN报文后，凭证MAC地址的学习效果选择合适的隧道举行转发；对端VTEP则从隧道中吸收报文，并举行解封装和转发。
(5)   VXLAN网关对跨VXLAN子网的报文举行三层路由转发。
1.1.1 VXLAN隧道建设
VXLAN报文通过VXLAN隧道在两个VTEP之间传输。营业报文在进入隧道时举行封装，通过Underlay网络的三层转发将封装后的报文传输给远端VTEP，再由远端VTEP对其举行出隧道解封装处置惩罚。因此，需要在VTEP之间建设VXLAN隧道。建设的VXLAN隧道需要关联VXLAN实例，才华被用于传输该VXLAN实例的报文。VXLAN隧道可以通过手动或自动两种方法建设。手动建设VXLAN隧道称为静态VXLAN隧道，自动建设VXLAN称为动态VXLAN隧道。
1.    手工建设VXLAN隧道
手工建设VXLAN隧道意味着通过VXLAN隧道传输数据的一切须要条件都需要人工设置。详细历程如下：
(1)   建设VXLAN隧道接口，并指定隧道的源IP和目的IP。
(2)   建设VXLAN路由接口。
(3)   建设VXLAN实例，并与VXLAN隧道接口和VXLAN路由接口绑定。
(4)   （可�。┦止ど柚弥斩说腁RP表和MAC地址表。
2.    自动建设VXLAN隧道
云盘算中的数据中节点数目是重大的，逐一手工建设VXLAN隧道险些是不可能的。EVPN（Ethernet Virtual Private Network，以太网虚拟专用网络）能够实现VXLAN隧道自动建设。
自动建设VXLAN隧道的实现历程大致如下。VTEP装备首先需要同其他VTEP或者IBGP路由反射器建设BGP邻人关系。之后，VTEP向支持BGP-EVPN的邻人发送EVPN 3类路由（Inclusive Multicast Ethernet Tag），EVPN 3类路由主要包括了VTEP信息、VNI信息和RD值。VTEP之间通过相互发送EVPN 3类路由，完成VTEP发明，并建设VXLAN隧道OverlayTunnel。隧道本端的地址为本机的VTEP-IP，隧道对端的地址为通过3类路由学习到的对端的VTEP-IP。使用EVPN自动建设的VXLAN隧道会自动关联VXLAN实例。建设VXLAN隧道后，VTEP还将通过EVPN 2类路由（MAC/IP Advertisement Route）通告主机MAC地址、主机ARP和主机路由信息，此部分为EVPN相关知识，本文不作过多先容。
1.1.2 怎样识别VXLAN流量
装备识别接入报文所属VXLAN的方法有以下两种：
● 设置VXLAN网络实例关联的VLAN。当装备在某个VLAN上吸收到MAC帧时，若是该VLAN被关联到某个VXLAN，则装备会将吸收到的MAC帧封装为VXLAN报文，并在对应VXLAN的隧道上举行转发。在统一个接入装备上，差别的VXLAN实例不可以关联相同的VLAN。当一个VLAN被VXLAN关联后，其所有报文将被封装成VXLAN报文，对应VLAN将无法建设SVI接口充当IP网关。
●   设置二层以太网子接口接入指定VXLAN网络。装备在二层以太网子接口吸收到MAC帧后，若是该二层以太网子接口已设置接入VXLAN网络，则该报文归属于设置的VXLAN网络，装备会将吸收到的MAC帧封装为VXLAN报文并转发。二层以太网子接口支持不携带VLAN Tag封装、携带VLAN Tag封装与QinQ封装接入VXLAN网络。在二层以太网子接口生效的条件下，二层以太网子接口的封装规则优先级比VXLAN实例的关联VLAN高。
1.1.3 VXLAN怎样举行MAC地址学习
VTEP需要学习用户的MAC地址作为VXLAN报文转发时的依据。VTEP的MAC地址学习包括外地MAC地址学习和远端MAC地址学习。除此之外，也可以手动设置MAC地址表项，指定其所属的VLAN、接口以及VNI，手动绑定静态MAC和静态ARP比动态学习越发稳固清静。
1.    外地MAC地址学习
外地MAC地址学习是由转发面行动触发的，VTEP在吸收到当田主机的数据帧后，判断该数据帧属于哪一个VXLAN实例。若确定命据帧属于某个VXLAN实例，VTEP会将数据帧的源MAC地址添加到VXLAN实例的MAC地址表中，并纪录VNI和吸收到数据帧的接口。
2.    远端MAC地址学习
远端MAC地址的学习方法凭证VXLAN隧道建设方法的差别而有所区别。
● 静态VXLAN隧道
使用静态隧道设置时，MAC表和ARP表都是通过转发面行为触发学习远端源MAC地址。当VTEP装备收到远端VTEP邻人发送的VXLAN报文时，VTEP举行解封装，还原二层数据帧，并将VNI与内层源MAC地址（远端主机MAC地址）纪录在MAC地址表中。如图1-2所示，VM-a与VM-c都属于VNI10，VM-a已知VM-c的IP地址IP-c，请求VM-c的MAC地址历程如下：
图1-2   静态隧道MAC地址动态学习
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a    VM-a广播发送目的IP为IP-c的ARP请求报文。
b    VTEP-1收到ARP请求后，凭证接口判断该ARP请求报文属于VNI10。VTEP-1学习VM-a的MAC地址（MAC-a）、VNI（VNI10）和泉源端信息（Gi0/1）。
c    VTEP-1对该ARP请求举行VXLAN封装，并通过VXLAN隧道泛洪给对端VTEP，示例中为VTEP-2和VTEP-3。如图1-2中发送给VTEP-2的报文3，外层源MAC地址为MAC-1，外层目的MAC为下一跳装备的MAC地址（MAC-n），外层源IP为VTEP-1的IP IP-1，外层目的IP为VTEP-2的IP IP-2。封装后的报文通过Underlay网络转发至VTEP-2和VTEP-3。
d    VTEP-2和VTEP-3收到报文后举行解封装，同时学习VM-a的MAC地址（MAC-a）、VNI（VNI10）和泉源端信息（IP-1），并纪录在VTEP外地MAC地址表中。
e    VTEP-2和VTEP-3在外地二层域内广播ARP请求。VM-c收到ARP请求后，比对ARP请求的目的IP，并单播回复ARP应答报文。VM-c的ARP应答报文的封装与解封装历程与VM-a的ARP请求历程类似，VTEP-2、VTEP-1与VM-a都将学习到VM-c的MAC地址。

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在VXLAN举行跨子网的三层通讯时，只需学习三层网关的MAC地址，其动态学习历程与上文相同。

● 通过EVPN建设动态VXLAN隧道
从逻辑架构上看，EVPN作为VXLAN的控制面，使VTEP可以通过自动宣布EVPN的2类路由MAC/IP Advertisement Route转达主机MAC，从而镌汰VXLAN网络的流量泛洪。当VTEP装备学习到当田主机的MAC信息后，可以宣布一条MAC-ONLY的2类路由，将该MAC地址和其对应的VNI信息通告给其他VTEP邻人。
1.1.4 VXLAN报文怎样举行转发
VXLAN的转发分为二层转发和三层转发。相同VNI用户之间通过VXLAN二层转发，差别VNI用户之间通过VXLAN三层转发。VXLAN三层转发需要通过VXLAN网关装备。
1. VXLAN二层转发
VTEP判断MAC帧属于某个VXLAN后会将该MAC帧封装为VXLAN报文。VXLAN报文由UDP报文承载，在添加IP头部后由IP网络举行传输。在吸收方，VTEP对VXLAN报文举行解封装获得MAC帧，再举行转发。如下图所示：
图1-3 VXLAN二层转发
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(1)   交流机Device1收到以太网报文，将以太网报文封装成VXLAN报文。
(2)   VXLAN报文在IP焦点网中举行转发，如上图Device2对VXLAN报文举行转发。
(3)   Device3收到VXLAN报文，对报文举行解封装，在外地局域网举行二层转发。
下面我们以一个例子来先容VXLAN二层转发的历程。如图1-4，三个服务器通过IP网络使用VXLAN举行二层互联，使用的VXLAN VNI为100。
图1-4   VXLAN二层转发拓扑示意图
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以Server A向Server B发送ARP请求，Server B回复ARP应答历程为例，说明VXLAN的报文转发历程。

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本章节中提到的Next Hop MAC和Last Hop MAC指的是Underlay网络传输的下一跳和上一跳MAC地址，Next Hop MAC和Last Hop MAC在差别图例中取值差别。

图1-5 静态VXLAN隧道中Server A向Server B发送ARP请求
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(1)   Server A发送ARP请求，交流机VTEP1收到报文ARP请求的广播报文，由于报文是广播报文，以是需要通过隧道举行泛洪，封装成2份单播报文划分通过隧道发送到VTEP2和VTEP3。
(2)   IP焦点网对单播VXLAN报文举行转发。
图1-6   VTEP3对VXLAN报文的解封装和地址学习
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(3) VTEP3收到VXLAN报文，将该报文解封装成以太网报文并举行VXLAN地址学习（VNI为100，MAC地址为0000.0000.0001，VTEP IP地址为192.168.1.100），解封装后的报文广播泛洪至Server C。
图1-7 VTEP2对VXLAN报文的解封装和地址学习
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(4) VTEP2收到VXLAN报文，将报文解封装成以太网报文，对以太网报文网举行地址学习（VNI为100，MAC地址为0000.0000.0001，VTEP IP地址为192.168.1.100）并转发，Server B收到ARP请求并应答。
图1-8 VTEP2查找地址表，交流机封装报文为单播VXLAN报文
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(5) VTEP2收到Server B发送的ARP应答报文，查找地址表，获得出口目的为IP 192.168.1.100地址。交流机将报文封装成发往交流机192.168.1.100的单播VXLAN报文，外层源IP为192.168.2.100。
图1-9 VTEP1收到VXLAN报文，解封装并举行地址学习
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(6) IP焦点网对VXLAN报文举行转发
(7) VTEP1收到Server B的ARP应答VXLAN封装报文，将报文解封装成以太网报文，举行地址学习（VNI为100，MAC地址为0000.0000.0002，IP地址为192.168.2.100）和转发，Server A收到ARP应答。

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Server A获取到Server B的MAC地址后，将以单播的形式与Server B举行交互，其历程与Server B回复ARP应答历程类似，此处不再赘述。

2. VXLAN三层转发
若是要为VXLAN站点内的虚拟机提供三层营业，则需要在网络中安排VXLAN网关，以便站点内的虚拟机通过VXLAN网关与外界网络或其他VXLAN网络内的虚拟机举行三层通讯。VXLAN的网关类型分为集中式网关和漫衍式网关，详细先容请拜见1.2 VXLAN路由安排类型。本章节将以集中式网关先容VXLAN三层转发历程。

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本章节中提到的NH MAC（Next Hop MAC，下一跳MAC地址）指的是Underlay网络传输的下一跳MAC地址，NH MAC在差别图例中取值差别。

? VXLAN内差别VNI用户之间的三层转发
如图1-10所示，VTEP-1和VTEP-2认真VXLAN二层转发，VTEP-3作为VXLAN网关装备，认真路由转发。VTEP-1与VTEP-3建设1个VNI10隧道，VTEP-2与VTEP-3建设1个VNI20隧道。
VTEP之间已经通过EVPN完成MAC和ARP信息同步。各装备已有的ARP和MAC表项请参考表1-1、表1-2和表1-3。

表1-1 装备VXLAN隧道信息
装备	VNI	隧道	SIP	DIP	装备	VNI	隧道	SIP	DIP
VTEP-1	10	Tunnel3	IP-1	IP-3	VTEP-3	10	Tunnel1	IP-3	IP-1
VTEP-2	20	Tunnel3	IP-2	IP-3	VTEP-3	20	Tunnel2	IP-3	IP-2

表1-2 装备VXLAN MAC表项信息
装备	MAC	VNI	Destination	装备	MAC	VNI	Destination
VTEP-1	MAC-a	10	Port1	VTEP-2	MAC-b	20	Port2
VTEP-1	MAC-3	10	Remote IP-3	VTEP-2	MAC-3	20	Remote IP-3

表1-3 VTEP-3 ARP表项信息
IP	VNI	下一跳	MAC	IP	VNI	下一跳	MAC
IP-a	10	Remote IP-1	MAC-a	IP-b	20	Remote IP-2	MAC-b

VM-a与VM-b举行通讯的历程如下：
图1-10 VM-a请求网关MAC地址
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a    由于VM-a和VM-b属于差别网段，VM-a通过广播ARP报文请求网关IP-3的MAC地址。
b    VTEP-1收到来自VM-a的ARP报文，封装VXLAN头（VNI 10）后通过隧道发送到VTEP-3。
c    VTEP-3对报文举行解封装，发明是VM-a通过ARP请求自身的MAC地址，因此回复ARP应答报文，报文中携带IP-3的MAC地址MAC-3，封装VXLAN（VNI 10）后发往VTEP-1。
d    VTEP-1收到封装为VXLAN（VNI 10）报文的ARP报文，解封装后凭证MAC表项发往VM-a。
图1-11   VXLAN内虚拟机间ICMP请求转发
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e    VM-a学习到ARP信息后，向VM-b发送ICMP报文。由于二者是跨网段通讯，以是报文的目的MAC为网关VTEP-3的MAC-3。
f    ICMP请求报文抵达VTEP-1，举行二层地址表查找，匹配地址表MAC-3+VNI10+出口为远端隧道IP-3，则VTEP-1对报文举行VXLAN封装发往VTEP-3，内层报文稳固，外层目的MAC为路由表中目的为IP-3的下一跳MAC地址。
g    VTEP-3收到VXLAN封装报文，举行VXLAN解封装，获得内层报文。
h    VTEP-3是网关装备，解封装后的内层报文触发三层转发，匹配路由表出口为远端隧道IP-2。则VTEP-3举行路由VXLAN封装转发，内层报文目的MAC替换成MAC-b，外层VNI为VNI10。
i    VXLAN封装报文抵达VTEP-2，举行VXLAN解封装，获得内层报文举行二层单播直接转发给VM-b。
图1-12   VXLAN内虚拟机间ICMP应答转发
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j    VM-b收到ICMP请求报文，判断是发给本端的，则举行ICMP应答，发出ICMP应答报文。
k    ICMP应答报文抵达VTEP-2，举行二层单播VXLAN封装转发。
l    VTEP-3收到VXLAN封装报文，举行VXLAN解封装，获得内层报文。
m    VTEP-3是网关装备，解封装后的内层报文触发三层转发，匹配路由表出口是远端隧道IP-1，举行路由VXLAN封装转发，内层报文目的MAC替换为MAC-a，外层VNI为VNI10。
n    VXLAN封装报文抵达VTEP-1，举行VXLAN解封装，获得内层报文举行二层单播直接转发给VM-a。VM-a收到报文后，判断是给本端的，则显示ping通。
?   VXLAN内用户和VXLAN外用户的通讯
VXLAN内部用户与VXLAN外部用户通讯需要通过VXLAN网关装备，外部的Underlay网络通过VXLAN网关与虚拟化Overlay网络相连。VXLAN网关的Overlay路由表中导入Underlay网络路由表，使得在VTEP间通过Overlay网络举行通讯转发。VXLAN内部用户和VXLAN外部用户通讯历程与VXLAN内三层通讯历程相似，差别在于VXLAN网关在收到内部对外通讯流量时，是往Internet转发，故此处不再对转发历程赘述。
1.2 VXLAN路由安排类型
目今VXLAN路由主要有两种安排形式，一种是面向小规模的数据中心的集中式VXLAN网关安排，另一种是面向大规模的数据中心的漫衍式VXLAN网关安排。
1.2.1 集中式网关
如图1-13所示，VXLAN网关均集中安排在焦点装备，跨VNI的流量都必需经由焦点装备的VXLAN网关转发。焦点装备需要学习拓扑中所有虚拟机的MAC地址和ARP信息。所有接入装备只举行VXLAN二层转发，不举行VXLAN流量的跨VNI转发。
●    优点：跨子网流量集中管理，便于管理员对跨子网流量举行监控和设置清静战略。
●    弱点：同网关下的跨子网通讯保存绕行，焦点网关保存转发性能瓶颈；焦点网关需要学习所有虚机的MAC地址和ARP表项，保存MAC地址表项和ARP表项容量瓶颈。
●    场景：适合小规模的数据中心。
图1-13   集中式网关流量走向图
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1.2.2 漫衍式网关
如所示，布式网关安排方法中，每台VTEP都是外地直连虚拟机的网关，因此跨VNI的流量无需在集中式网关处绕行。这种方法既可以包管路径最优，又可以缓解集中式网关装备流量转发的压力。漫衍式网关安排方法分为非对称网关和对称网关。
图1-14 漫衍式网关流量走向图
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1.    漫衍式非对称网关
数据报文在跨VNI转发历程中只在入口VTEP查找路由，并凭证目的端主机所属的VNI举行封装转发。每个VTEP设置VXLAN网络中所有VNI，以包管VXLAN网络中所有VNI之间相互可达。如图1-15所示，VTEP 1下没有VNI B的主机，可是为了包管Host 1能与Host 2举行三层通讯，VTEP 1下也需要建设VNI B。同理，如图1-16VTEP 2下也需要建设 VNI A。VTEP同时做VXLAN桥和VXLAN路由转发，VTEP需要学习所有VNI下的终端主机ARP和地址表项，包括不在外地的终端主机，以是漫衍式非对称网关的拓展性不佳。
●    优点：非对称网关组网在转发报文时路径是最优的，并支持虚拟机的无缝迁徙。
●    弱点：VTEP需要设置外地网络中不保存的VNI信息，需要学习非外地终端主机的MAC地址和ARP信息，扩展性不佳。
●    场景：适合中小型数据中心。
图1-15   漫衍式非对称网关发送流量
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图1-16 漫衍式非对称网关应答流量
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2.    漫衍式对称网关
漫衍式对称网关引入了一个L3VNI的看法，L3VNI认真VTEP所有三层流量的转发。如图1-17所示，虚拟机的三层流量会在直接毗连的VTEP上触发一次三层转发，然后封装成VXLAN报文抵达对端VTEP后解封装再次触发三层转发，相比非对称网关，在整体上看起来是对称的，因此称之为VXLAN对称网关。
安排漫衍式对称网关时，若是统一个VNI转发，则在入口VTEP上做VXLAN二层转发；若是是跨网段的通讯，在入口VTEP路由到L3VNI，再在目的VTEP装备上凭证内层IP路由到终端。这种模式下，入口的VTEP不需要设置目的端装备的VNI信息，因此不需要学习远端终端的MAC和ARP信息，镌汰了MAC地址表和ARP毗邻表的消耗。
●    优点：转发报文时路径是最优的，减轻了VTEP装备的MAC地址表容量压力，具备更好的扩展性。
●    弱点：虚拟机的无缝迁徙因VTEP单边安排VNI会受到一定限制。
● 场景：适用于中大型数据中心。
图1-17   漫衍式对称网关流量走向图
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1.3 VXLAN典范组网应用
VXLAN的典范组网应用及在97国际设惫亓设置指南请进入97国际文档中心，选择交流机或者路由器分类，选择对应产品型号后，翻开设置调测中的设置指南，进入“数据中心设置指南-VXLAN设置-典范设置举例章节”举行阅读。

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基于EVPN的漫衍式VXLAN实现计划

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什么是数据中心VXLAN Overlay网络

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